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Einrichtung zum Fräsen mit grossem Vorschub
Seit drei Jahrzehnten werden Hartmetallwerkzeuge mit grossem Erfolg zum Zerspanen von Metallen verwendet ; in erster Linie beim kontinuierlichen Schnitt, z. B. beim Drehen. Es ist auffallend, dass die Hartmetalle dort, wo unterbrochener Schnitt vorliegt, nicht in gleichem Masse Eingang gefunden haben. Fragt man sich nach den Ursachen, so ist festzustellen, dass Fräsmaschinen herkömmlicher Bauart nicht ohneweiters mit Hartmetallwerkzeugen arbeiten können. Sie sind nicht ausreichend schwingungssteif und neigen zum Rattern, was zu vorzeitigem Abstossen der feinstbearbeiteten Hartmetallschneiden führt ; überdies ergeben sich schlechte Oberflächen. In Verkennung der Fehlerquellen wird dann meistens versucht, den Vorschub zu verkleinern.
Zwar wird der Schnitt mit abnehmender Schnittkraft ruhiger, doch halten die Hartmetallschneiden kaum besser, weil die Spandicke unter die für sie verträgliche Grenze sinkt. Es ist bekannt, dass Hartmetallschneiden bei zu dünnen Spänen zum Drücken neigen, was mit erhöhter Reibung und damit raschem Verschleiss verbunden ist, und erstrecht Rattern auslösen kann. Versucht man das Rattern durch Verringerung der Frästiefe beseitigen zu wollen, dann kommt man am Ende zur Ansicht, dass Hartmetallwerkzeuge keine besonderen Vorteile gegenüber Schnellstahlwerkzeugen bringen. Die obereGrenze für den bisher erreichten Vorschub kann mit etwa 500 m/min angesetzt werden.
Demgegenüber weist die vorliegende Erfindung den Weg, wie die grossen Vorteile der Hartmetalle beim Fräsen ausgenützt werden und wie darüber hinaus Vorsehübe in einem bislang unbekannten Ausmass erzielt werden können. Die Erfindung besteht in einer Kombination aus mehreren grundlegenden Konstruk- tionsmerkmalen.
Zum ersten ist das Antriebssystem der Fräsmaschine zu nennen. Es ist bekannt, dass die im Antriebssystem vorhandenen Spiele zu schädlichen Schwingungen führen können, was besonders beim Gleichlauffräsen auftreten kann, bei dem das Werkzeug das Werkstück voreilend mitzunehmen versucht, wobei die im Antrieb vorhandenen Spiele durchlaufen werden. Nicht bekannt sind die Gegenstand der Erfindung bildenden Mittel, mit denen solche Schwingungstendenzen wirksam unterdrückt oder verhindertwerden können. Erfindungsgemäss wird das Drehmoment vom Antriebsmotor aber spielfreie oder zumindest spielausgleichende schwingungsdämpfende Antriebselemente auf die Frässpindel übertragen. Als solche können gelten nichtmetallische Riemen oder metallische Ketten. Beide sind elastisch und weisen eine hysteresis- ähnliche schwingungsenergieverzehrende Federcharakteristik auf.
Als drittes Element bietet'sich spielfrei einstellbarer Schneckentrieb an, der wegen der an sich ungünstigen Reibungsverhältnisse ebenfalls dämpfend wirkt. Eine mit diesen Mitteln ausgestattete Fräsmaschine erlaubt nicht bloss Gegenlauffräsen sondern auch Gleichlauffräsen ohne Rattern.
Geben diese charakteristischen Merkmale der Fräsmaschine die Voraussetzung fürruhigen Schnitt und stossarme Schneidenbeanspruchung, so dienen die folgenden Merkmale der Werkzeuge der Erzielung gro- sser Vorschübe.
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worin bedeuten :
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<tb> V <SEP> Schnittgeschwindigkeit <SEP> in <SEP> m/min
<tb> a <SEP> Schneidenabstand <SEP> in <SEP> mm
<tb> s <SEP> Vorschub <SEP> je <SEP> Eingriff <SEP> in <SEP> mm/min
<tb> s <SEP> Spandicke <SEP> in <SEP> mm
<tb> k <SEP> = <SEP> v <SEP> Kommafaktor
<tb> V
<tb>
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faktor und je kleiner der Schneidenabstand ist.
Die erfindungsgemässeEinrichtunggründet sich auf Verwendung von Hartmetallschneiden. Sie vertragen an sich erheblich grössere Schnittgeschwindigkeiten als Schnellstähle. Gegenüber dem kontinuierlichem Eingriff kann die Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen weiter gesteigert werden, weil die Schneiden nur über einen kleinen Teil des Weges im Eingriff sind und während des weit grösseren Leerweges Zeit
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sser der Durchmesser, desto länger der Leerweg und desto besser die Rückkühlung.
Die Wahl grosser Messerkopfdurchmesser liegt auch aus einem andern entscheidenden Grund im Erfindungsgedanken. Bisher hat man, bedingt durch die absolut niedrig liegenden Grenzen für die Schneidenbelastung bei Schnellstahl, den Beziehungen zwischen Spandicke und Vorschub je Eingriff kaum Beachtung geschenkt. Im Zuge der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendenEntwicklungsarbeiten wur- de erkannt, dass der Vorschub je Eingriff bei gleichbleibender Spandicke von Frästiefe und Messerkopf-
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sein kann als die Spandicke. Er ist umso grösser, je grösser der Messerkopf ist und je kleiner die Frästiefe.
Zusätzlichhebt auch zunehmende Spandicke den Kommafaktor. Es ist also auch aus dieser Erkenntnis heraus vorteilhaft, grosse Messerkopfdurchmesser zu wählen. Als dritter Vorteil kommt hiezu, dass eine gegebene Messerkonstruktion umso kleinere Schneidenabstände ergibt, je grösser der Durchmesser des Kopfes ist.
Ebenso kommt der Vorteil grösserer. Spandicken der Eigenheit der Hartmetallschneiden entgegen. Schliesslich erkennt man, dass es bei gleichbleibender Spandicke, auf konstante Antriebsleistung bezogen, günstiger sein kann, eine gegebene Frästiefe in zwei oder mehreren Durchgängen zu erreichen. Die Zeitersparnis wird bei geschickter Ausnützung der Eingriffsgeometrie stets grösser sein, als der Zeitaufwand für zusätzlichen Eilrücklauf, so dass ein echter Zeitgewinn bleibt.
DerSchneidenabstand a kann durch konstruktive Massnahmen auf einen kleinen Wert gedrückt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung von Doppelkegelköpfen nach Patent Nr. 189881 mit sich kreuzenden Messern, die sich nur im Schneidenbereich, also im Bereich des grössten Durchmessers übergreifen, was sehr kleine Schneidenteilungen ermöglicht. Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal werden ge- klemmte Hartmetallplättchen verwendet, die die Schneidenentfernung weiter herabdrücken lassen.
Als Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemässen Einrichtung sei das Trennfräsen gewählt. Mit diesem Ausdruck soll ein Vorgang gekennzeichnet werden, bei dem Bleche oder Rohre in Stücke zerschnitten werden, wobei gleichzeitig Trennflächen erzielt werden, die der Forderung nach schweissgerechter Ausführung entsprechen. Es ist dies ein vorbereitender Arbeitsgang, der im Stahlbau dem Schwei- ssen vorangeht. Bisher hat man überwiegend die Bleche durch Brennschneiden getrennt und anschliessend wurden die Stirnflächen gehobelt. Hiezu sind also zwei Arbeitsgänge erforderlich, die auf verschiedenen Maschinen erledigt werden müssen. Fräsen kam bisher nicht in Frage, weil die Arbeitszeiten bei bekannten Fräsmaschinen und -werkzeugen viel zu lang gewesen wären.
Hingegen ist das Trennfräsen mit der erfindungsgemässen Einrichtung den bisherigen Methoden weit überlegen, weil man Maschine und Werkzeuge so auslegen kann, dass nur ein einziger Arbeitsgang erforderlich und die dabei zu erreichende Arbeitszeit wesentlich kürzer ist.
Zur Herstellung der in der Regel unter 350 geneigten Fase bedient man sich mit Vorteil eines Messerkopfes ia Doppelkegelbauart nach der Patentschrift Nr. 189881, der dank der sich kreuzenden Messer eine besonders kleine Schneidenentfemung erlaubt und damit eine der wichtigsten Voraussetzungen für das Fräsen mit grossem Vorschub liefert.
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In Fortentwicklung dieser bewährten Bauart können erfindungsgemäss die Messer so angeordnet werden, dass ohne zusätzlichen Aufwand an Messern sofort, d. h. in einem Durchgang, Y-förmige Stirnflächen erzielt werden. Zu diesem Zwecke werden die vorzugsweise an den Flanken, deren Lage - gegeben durch den Kopf - dem Neigungswinkel der Fase angepasst ist, und an der Stirn schneidenden Messer an ihrem Rücken radial gerade begrenzt und so weit vorgeschoben, dass jedes Messer eine geneigte Flanke und die gegenüberliegende Normalfläche schneidet. Diese Konstruktion hat überdies den Vorteil, dass der beim Trennfräsen notwendige parallelflächig begrenzte Spalt durch Verschieben des Messers mehr oder weniger breit ausgeführt werden kann.
In Fig. 1 sind die geometrischen Verhältnisse beim Fräsen dargestellt. Fig. 2 lässt einen Messerkopf zum Trennfräsen mit Y-förmiger Stirnfläche erkennen.
In Fig. 1 ist 1 das auf die Tiefe t zu bearbeitende Werkstück. Der Mittelpunkt M des Messerkopfes mit dem Durchmesser DE wandert während des Eingriffes um den Vorschub sv nach M.. Die Stirnschneide schneidet einen beistrichförmigen Span von der Dicke s. Daneben sind die Eingriffsverhältnisse gezeichnet für halbe Tiefe t, aber doppelt so grossen Messerkopfdurchmesser DF. Man erkennt, dass der Span langgestreckt ist. Bei gleichbleibendem Vorschub sv ist der Span dünner, bei gleich grosser Spandicke könnte der Vorschub annähernd doppelt so gross gewählt werden ; der Kommafaktor ist. bei den in der Figur eingetragenen Annahmen im einen Fall 2, 26, im andern 4,54, also doppelt so gross.
Ein Beispiel lässt den bedeutenden Fortschritt deutlich erkennen. In eine Platte aus Kohlenstoffstahl von 60 kg/mmFestigkeit sei eine V-förmige (trapezförmige) Nut von 10 mm mittlerer Breiteund 10 mm Tiefe zu fräsen. Nach herkömmlichen Empfehlungen würde man hiefür einen hartmetallbestückten Messerkopf von 150 mm Durchmesser mit 8 Schneiden, 120 m/min Schnittgeschwindigkeit und einem Um- fangsvorschub von 0, 15 mm je Zahn wählen. Damit liesse sich optimal ein Vorschub von rund 300 mm/min erzielen, ein für bekannte Verhältnisse bereits im oberen Grenzbereich liegender Wert.
Verwendet man hingegen im Sinne der Erfindung ein schwingungsfreies Antriebssystem, einen Messerkopf von 700 mm Durchmesser nach Doppelkegelbauart, bei dem sich leicht eine wirksame Schneidenteilung von 30 mm erzielen lässt, steigert man die Schnittgeschwindigkeit auf 250 m/min und die Spandicke auf 0, 3, so lässt sich bei gleicher Frästiefe ein Vorschub von io 500 mm/min erreichen, ein Wert, der fast zwei Grössenordnungen höher liegt als der mit herkömmlichen Methoden mit Schnellstahlfräsern zu erreichende Vorschub. Selbstverständlich erfordern so grosse Vorschübe entsprechend grosse Antriebsleistungen ; während man nach der herkömmlichen Methode etwa 2, 0 KW Antriebsleistung braucht, steigt die Leistungsaufnahme bei 10 500 mm Vorschub auf etwa 60 KW.
Doch bereitet es bei Wahl eines im Sinne der Erfindung liegenden Antriebssystems keine Schwierigkeiten, Fräsmaschinen zu bauen, die so grosse Leistungen auch tatsächlich verarbeiten können.
In Fig. 2 ist 2 ein Messerkopfkörper, der beidseitig nach gleichachsigen Kegelmänteln begrenzt ist.
Die zur Aufnahme der Einzelmesser bestimmten Nuten 3 und 4 liegen mit ihrer Grundfläche an Kegelmänteln und sind von links auf rechts versetzt. Daher kreuzen sich die in diesen Nuten eingebetteten Messer 5 und 6. Ihre wirksamen Flankenschneiden 7 und 8 verlaufen in Richtung der Kegelerzeugenden ; an ihrem Rücken sind sie annähernd radial begrenzt. Die sich kreuzenden Messerpaare sind in ihren Nuten so weit vorgeschoben, dass der Rücken eines Messers über die Flankenschneide des zugehörigen Messers hinausreicht. Damit entsteht eine gebrochene Schneidenlinie. Mit der in der Zeichnung dargestellten Anordnung lässt sich beispielsweise eine Y-Fase erzielen, wobei der Abstand der beiden Normalstirnflächen innerhalb der durch die Auslegung des Messerkopfes gegebenen Grenzen variiert werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zum Fräsen mit grossem Vorschub, gekennzeichnet durch eine Kombination von Konstruktionsmerkmalen, wonach die Fräsmaschine mit elastischen, schwingungsdämpfenden Antriebselementen, vorzugsweise nichtmetallischen Riemen oder metallischen Ketten, versehen ist, die Messerköpfe mit Hartmetallschneiden ausgestattet sind, der Messerkopfdurchmesser so gross gewählt wird, dass der Kommafaktor bei gegebener Frästiefe dem wirtschaftlichen Optimum zustrebt, die Schneidenentfernung so niedrig angenommen wird, als es sich aus konstruktiven Gründen verwirklichen lässt, und vorzugsweise geklemmte Hartmetallplättchen verwendet werden, ferner die Spandicke im oberen Grenzbereich und der Vorschub um den Kommafaktor grösser gewählt wird als die angenommene Spandicke bzw.
die zu fräsende Tiefe unter jedesmaliger Ausnützung der gegebenen Antriebsleistung vorzugsweise auf mehrere Durchgänge aufgeteilt wird.